基于單片機的數(shù)控電流源的設(shè)計

1、南京郵電大學(xué)實驗開放項目項目名稱：基于單片機的數(shù)控電流源設(shè)計學(xué) 院：光電工程學(xué)院導(dǎo) 師：張 勝姓 名：石曉娜、梅陽陽、丁嘉毅、趙敏、朱振東二零一四年二月基于單片機的數(shù)控電流源的設(shè)計摘 要恒流源,是一種能夠向負載提供恒定電流的電源。恒流源的應(yīng)用范圍非常廣泛，并且在許多情況下是必不可少的。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點，又可以作為其有源負載，以提高放大倍數(shù)。并且在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于單片機控制的數(shù)控直流恒流源。該恒流源以STC-89C52為控制核心，采用了高共模抑制比低溫漂的運算放大器LM324和自制達林頓管構(gòu)成恒流源的主體，完成了單片機

2、對輸出電流的實時檢測和實時控制。人機接口采用4X4鍵盤及LCD數(shù)碼管顯示器，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機交互性能。在軟件設(shè)計上采用增量式PWM控制算法，即數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。該系統(tǒng)已基本達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，具有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點，可以 應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度的小功率恒流源的領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：恒流源、PWM控制算法、數(shù)字控制、單片機控制引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴展， 現(xiàn)今社會， 產(chǎn)品智能化、 數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢， 設(shè)備的性能，價格， 發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注， 尤其對電子設(shè)備的精密度和穩(wěn)定度最為關(guān)注。 性能好的電子設(shè)備， 首先離不開

3、穩(wěn)定的電源， 電源穩(wěn)定度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越， 那么設(shè)備的壽命更長。 基于此， 人們對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切。眾所周知， 許多科學(xué)實驗都離不開電源， 并且在這些實驗中經(jīng)常會對通電時間、 電壓高低、 電流大小以及動態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求， 然而目前實驗所用的直流電源大多輸出精度和穩(wěn)定性不高； 在測量上， 傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)碼管來顯示電壓或電流， 搭配電位器來調(diào)整所要的電壓及電流輸出值。 使用上若要調(diào)整精確的電壓或者電流輸出， 須搭配精確的顯示儀表監(jiān)測，又因電位器的阻值特性非線性， 在調(diào)整時， 需要花費一定的時間，況且還要當(dāng)心漂移， 使用起來非常不方便。 因此， 如果直流電

4、源不僅具有良好的輸出質(zhì)量而且還具有多功能以及一定的智能化， 以精確的微機控制取代不精確的人為操作， 在實驗開始之前就對一些參數(shù)進行預(yù)設(shè)，這將會給各個領(lǐng)域中的實驗研究帶來不同程度的便捷與高效。當(dāng)今社會， 數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)很成熟， 但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術(shù)才剛剛起步有待發(fā)展， 高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應(yīng)用存在巨大的發(fā)展空間。 本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，不隨負載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍很小，輸出電流可在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定，因而可實際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領(lǐng)域。設(shè)計方案的選擇電路綜合設(shè)計流程圖 1.1.1 數(shù)控電流源電路設(shè)計流程圖總體設(shè)計方案經(jīng)初

5、步分析設(shè)計要求，得出總體電路由以下幾部分組成：電源模塊，控制模塊（包括A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換）恒流源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊。以下就各電路模塊給出設(shè)計方案?？刂撇糠址桨阜桨敢?采用FPGA作為系統(tǒng)的控制模塊。FPGA可以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，穩(wěn)定性強，易于調(diào)試和進行功能擴展。 FPGA 采用并行輸入輸出方式，處理速度高，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的核心。但由于FPGA!成度高，成本偏高，且由于其引腳較多，加大了硬件設(shè)計和實物制作的難度。方案二：采用單片機作為控制模塊核心。單片機最小系統(tǒng)簡單，容易制作PCB算術(shù)功能強，軟件編程靈活、可以通過ISP 方式將程序快速下載到芯片，方便的實現(xiàn)程序的更新

6、，自由度大，較好的發(fā)揮C語言的靈活性，可用編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，同時其具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點。基于以上分析，選擇方案二，利用STC89C52片機將電流步進值或設(shè)定值通過換算由D/A轉(zhuǎn)換（此處我們利用PW脈寬調(diào)制實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能），驅(qū)動恒流源電路實現(xiàn)電流輸出。輸出電流經(jīng)處理電路作A/D轉(zhuǎn)換反饋到單片機系統(tǒng)，通過補償算法調(diào)整電流的輸出，以此提高輸出的精度和穩(wěn)定性。恒流源模塊設(shè)計方案 方案一：由三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源。其典型恒流源電路圖如圖 1.2.1 所示。一旦穩(wěn)壓器選定，則U0 是定值。若R 固定不變，則 I 0 不變，因此可獲得恒流輸出。若改變R 值，可使

7、輸出 I 0 改變。因此將R 設(shè)為數(shù)控電位器，則輸出電流可以以某個步長進行改變。此電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，價格便宜，但是精 密的大功率數(shù)控電位器難購買。圖 1.2.1 三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源框圖方案二：由數(shù)控穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源方案一是在U）不變的情況下，通過改變 R的數(shù)值獲得輸出電流的變化。如果固定 R不變，若能改變U0 的數(shù)值，同樣也可以構(gòu)成恒流源，也就是說將上圖中的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓源改為數(shù)控電壓源， 其工作原理和上圖類似。 此方案原理清楚， 若賽前培訓(xùn)過數(shù)控電壓源的設(shè)計的話，知識、器件有儲備，方案容易實現(xiàn)。但是，由 1.2.2 圖可知，數(shù)控穩(wěn)壓源的地 是浮地，與系統(tǒng)不共地線，對于系統(tǒng)

8、而言，地線不便處理。圖 1.2.2 數(shù)控電壓源構(gòu)成的恒流源框圖方案三：采用集成運放的線性恒流源該恒流源輸出的電流與負載無關(guān), 通過使用兩塊構(gòu)成比較放大環(huán)節(jié)，功率管構(gòu)成調(diào)整環(huán)節(jié)，利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負反饋電路可以得到穩(wěn)定的恒流輸出和高輸出阻抗，實現(xiàn)了電壓電流轉(zhuǎn)換。其原理框圖如圖 1.2.3 所示。圖 1.2.3 集成運放構(gòu)成的恒流源框圖綜合考慮，采用方案三，使用低噪音、通用運放LM324和2個8550等構(gòu)成一個恒流源電 路。顯示模塊設(shè)計方案方案一：使用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用BC*碼顯示數(shù)字，對外界環(huán)境要求低，易于維護。但根據(jù)題目要求，如果需要同時顯示給定值和測量值，需顯示的內(nèi)容

9、較多，要使用多個數(shù)碼管動態(tài)顯示，使電路變得復(fù)雜，加大了編程工作量。方案二：使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字數(shù)字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設(shè)計簡單等特點。綜上所述， 選擇方案二。 采用 12864 漢字圖形點陣液晶顯示模塊同時顯示電流給定值和 實測值。 1.2.4 鍵盤模塊設(shè)計方案方案一 ： 采用獨立式按鍵電路， 每個按鍵單獨占有一根I/O 接口線 , 每個 I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為當(dāng)按鍵較多時占用單片機的 I/O 口數(shù)目較多。方案二：采用標(biāo)準(zhǔn)4X4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當(dāng)按鍵較多時可降低占用

10、單片機的 I/O 口數(shù)目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進。題目要求可進行電流給定值的設(shè)置和步進調(diào)整， 需要的按鍵比較多。 綜合考慮兩種方案 及題目要求，采用方案二，方便進行擴展。電壓源模塊設(shè)計方案系統(tǒng)需要多個電源，單片機、 A/D、使用+5V穩(wěn)壓電源，運放需要土12V穩(wěn)壓電源，同時題目要求最高出電流為260mA電源需為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。綜上所述，采用三端穩(wěn)壓集成7805、7812分別得+5V和 12V的穩(wěn)定電壓，78H系歹U穩(wěn)壓器輸出電流可以達到5A,能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。利用該方法實現(xiàn)的電源電路簡單，工作穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)組成經(jīng)過方案比較與論證，最終確定系統(tǒng)的組成框圖如圖所

11、示圖 1.3.1 系統(tǒng)組成框圖單元電路的設(shè)計控制模塊電路設(shè)計最小系統(tǒng)電路設(shè)計通過鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進調(diào)整信號傳送給單片機，單片機在接受到信號后進行處理運算， 并顯示其給定的電流值， 然后經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換以輸出電壓， 驅(qū)動恒流源電路實現(xiàn)電流輸出， 并將采樣電阻上的電壓經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換輸入單片機系統(tǒng)， 通過補償算法進行數(shù)值補償處理，調(diào)整電流輸出，并驅(qū)動顯示器顯示當(dāng)前的電流值。最小系統(tǒng)的核心為 STC89C52為了方便單片機引腳的使用，我們將單片機的引腳用接 口引出，電路如圖2.1.1 所示：P0 口和P3.0P3.3是LCD接口； P1 口作為 A/D與D/A轉(zhuǎn)換 接口； P2 口為鍵

12、盤接口。圖 2.1.1 最小系統(tǒng)原理圖A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換采用BB公司的ADS7816構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路，如圖 2.1.3 ADS7816是12位串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采木頻率高達200kHz,轉(zhuǎn)換所需時間短，轉(zhuǎn)換精度高。ADS7816轉(zhuǎn)換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給單片機， 單片機將此反饋信號與預(yù)置值比較， 根據(jù)兩者 間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。同時， A/D 采 樣回來的電流經(jīng)過單片機處理傳送到LC口可以顯示當(dāng)前的實際電流值。圖 2.1.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路恒流源電路設(shè)計恒流源電路的設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計的核心， 它采用電壓來控制電流的變化。

13、 為了能產(chǎn)生恒定的電流， 我們采用電壓閉環(huán)反饋控制。 恒流源電路原理圖如圖 2.2.1 所示， 該電路主要由運算放大器、大功率達林頓管、采樣電阻Rs、負載RL等組成。取樣電阻 RS從輸出端進行取樣， 再與基準(zhǔn)電壓比較， 并將誤差電壓放大后反饋到調(diào)整管， 使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動的情況下仍能保持穩(wěn)定。電路中調(diào)整管采用大功率達林頓管( 由兩個 8550 構(gòu)成 ) ，既能滿足輸出電流最大達到 260mA的要求，也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。RS選用熱穩(wěn)定性好的水泥電阻，并選取較大值(2Q),使得在電流較低時也能獲得較大的電壓值。運算放大器采用高精度的lm324作為電壓跟隨器。DAOU唧為輸入

14、電壓Ui,當(dāng)Ui 一定時，運算放大 器的Ui=Us,I 0=I L=I s=Ui/R s, 即 I 0不隨RL 的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。由此得到恒流源輸出電流的大小為： I 0= Ui/R s 圖 2.2.1 恒流源電路原理圖鍵盤電路設(shè)計在設(shè)計中，使用標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，可以實現(xiàn)09數(shù)字輸入，“+”、-”步進設(shè)置。其電路圖如圖 2.3.1 所示。2.3.1 鍵盤電路原理圖顯示電路設(shè)計本設(shè)計采用 12864 型漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（12X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM可顯示 內(nèi)容為192列X

15、 64行，還帶多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式 等。12864 采用 8 位并行接法，與單片機P3 和 P4 口相連，用于顯示設(shè)定值與當(dāng)前測量值。其接口如圖 2.4.1 所示。圖 2.4.1 LCD 顯示電路原理圖穩(wěn)壓電源設(shè)計在本設(shè)計中，運放需土 12V供電，單片機需、A/D需+5V供電，采用三端穩(wěn)壓器 7805、7812、 7815構(gòu)成一穩(wěn)壓電源，輸出電流范圍是 50mA- 260mA而78H系列穩(wěn)壓器輸出電流最大可以達到5A,能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。穩(wěn)壓電路如圖2.5.1所示：考慮系統(tǒng)對功率要求較高，所以在設(shè)計中選取了輸出功率50W勺變壓器，輸入電壓由變壓器和全

16、波整流濾波電路產(chǎn)生。圖 2.5.1 電源電路原理圖軟件設(shè)計軟件設(shè)af采用 C語言，對STC89C52s行編程實現(xiàn)各種功能。軟件設(shè)計的關(guān)鍵是對A/D轉(zhuǎn)換器的控制。軟件實現(xiàn)的功能是：控制鍵盤工作，確定電流步進調(diào)整；控制 A/D 工作，設(shè)置給定電流，測量輸出電流；對反饋回單片機的電流值進行補償處理；驅(qū)動液晶顯示器顯示電流設(shè)置值與測量值。圖 3 軟件流程框圖實物圖圖 4.1 恒流源控制電路實物圖圖 4.2 液晶顯示實物圖圖 4.3 矩陣鍵盤實物圖圖 4.4 線性電源實物圖圖 4.5 單片機控制系統(tǒng)（包括A/D ）實物圖圖 4.6 整體實物圖PWM 波調(diào)制波形加上負載后電流實際示數(shù)系統(tǒng)反饋后液晶示數(shù)封裝

17、后實物圖數(shù)據(jù)記錄脈寬恒定情況下（初始電流設(shè)定150mA負載變化的恒流測試（仿真圖略）R(Q)101112131415I(mA)(U=12V)1501501501501501506結(jié)論與展望本文結(jié)合各種新技術(shù)設(shè)計出一種基于單片機芯片 STC-89C52的數(shù)控直流包 流源。對該包流源的測量結(jié)果表明，該包流源具有較高的精度和穩(wěn)定度， 基本滿 足設(shè)計要求。具體的研究成果和結(jié)論如下：.完成了硬件電路的設(shè)計，具體包括A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，鍵盤輸入及輸出 顯示等。該恒流源實現(xiàn)了鍵盤輸入預(yù)置值， LCD顯示輸出預(yù)置值和實際輸出值 的功能，精度和穩(wěn)定度都比較高。.本系統(tǒng)在軟件設(shè)計上采用了增量式 PWM控制算法，

18、增量式控制雖然只是 算法上作了一點改進，卻帶來了不少優(yōu)點：(1)算式中不需要累加?？刂圃隽?Au(k)勺確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)， 容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；(2)計算機每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，故機器發(fā) 生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產(chǎn)過程。本系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計上仍然有很多需要完善之處。進入21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)一日千里的發(fā)展，包流源也必將經(jīng)歷由模擬恒流源向數(shù)字包流源過渡的這一 歷程。特別是計算機技術(shù)的發(fā)展必將出現(xiàn)智能化技術(shù)。因此，如何把數(shù)字技術(shù)和智能化技術(shù)用于制作高穩(wěn)定度的恒流源就將成為 21世紀(jì)的新課題。void init()作品程序：#inclu

19、de#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define V_TH0 255#define V_TL0 255#define V_TMOD 0 x01uchar code table=I LOVE SAST!;uchar code table1=I LOVE NJUPT!;uchar code table2=Constant Current;uchar table3=150 mA;uchar code table4=error!;uchar code table5=Please set again;sbit lcden=P1A4

20、;液晶使能端sbit lcdrs=P1A0;液晶數(shù)據(jù)命令選擇端sbit P3_7=P3A7;sbit P1_2=P1A2;unsigned char ZKB1,ZKB2;uchar num,flag=0;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(

21、5);lcden=0;lcden=0;write_com(0 x38);/ write_com(0 x0c);/ write_com(0 x06);/ write_com(0 x01);/ write_com(0 x80);設(shè)置16X2S示,5X7點陣,8位數(shù)據(jù)接口設(shè)置開顯示，不顯示光標(biāo)寫一個字符后地址指針加1顯示清零，數(shù)據(jù)指針清零for(num=0;num12;num+)write_data(tablenum);delay(5);write_com(0 x80+0 x40);for(num=0;num13;num+)write_data(table1num);delay(5);delay(5

22、00);write_com(0 x01);delay(200);write_com(0 x80);for(num=0;num16;num+) write_data(table2num);delay(5);write_com(0 x80+0 x40);for(num=0;num6;num+)write_data(table3num); delay(5);void displayI()write_com(0 x80+0 x40);for(num=0;num6;num+)write_data(table3num); delay(5);void displayerror()write_com(0 x0

23、1);write_com(0 x40);for(num=0;num6;num+)write_data(table4num); delay(5);write_com(0 x80+0 x40);for(num=0;num16;num+)write_data(table5num); delay(5);void keyscan(uchar i)uchar temp,key;P2=0 xfe;temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)delay(10);temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)temp=P2;switch(temp

24、)case 0 xee:key=1; break;case 0 xde: key=2; break;case 0 xbe: key=3; break;case 0 x7e: key=+; break;while(temp!=0 xf0)temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(i=0) table3i=key; flag=1; else if(i=1) table3i=key; flag=1; else if(i=2) table3i=key; flag=1; displayI();P2=0 xfd;temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)de

25、lay(10);temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)temp=P2;switch(temp)case 0 xed:key=4;break;case 0 xdd:key=5;break;case 0 xbd:key=6;break;case 0 x7d:key=-;break;while(temp!=0 xf0)temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(i=0) table3i=key; flag=1; else if(i=1) table3i=key; flag=1;else if(i=2) table3i=key; flag=1; dis

26、playI();P2=0 xfb;temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)delay(10);temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)temp=P2;switch(temp)case 0 xeb:key=7;break;case 0 xdb:key=8;break;case 0 xbb:key=9;break;case 0 x7b:key=*; break;while(temp!=0 xf0)temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(i=0) table3i=key; flag=1;else if(i=1) table3i=key; flag=1; else if(i=2) table3i=key; flag=1; displayI();P2=0 xf7;temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)delay(10);temp=P2;temp=temp&0 xf0;if(temp!=0 xf0)temp=P2;switch(temp)case 0 xe7:key=*;break;case 0